通用變頻器在船閘電機拖動中的應(yīng)用與維護(hù)研究

覃露

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

在工業(yè)自動化日趨發(fā)達(dá)的今天，變頻器由于具有卓越的調(diào)速、節(jié)能以及保護(hù)功能，被越來越多的電機拖動場合應(yīng)用。隨著系統(tǒng)設(shè)備不斷的升級改造，樞紐船閘的電機拖動系統(tǒng)也基本應(yīng)用了變頻器，其能實現(xiàn)設(shè)備軟啟動、平滑加減速、停機和各類保護(hù)等功能，大幅地提升了船閘設(shè)備的運行效率和安全穩(wěn)定。

1 通用變頻器的基本概念

按照用途將變頻器可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等，而通用變頻器一般指PWM 型交-直-交變頻器，其由主電路和控制電路組成，主電路包含整流電路、中間直流電路、逆變電路三部分，其中中間直流電路又由電源再生單元、限流單元、濾波器、制動電路、電源檢測電路等組成。控制電路由中央處理器（cpu）、數(shù)字信號處理器（dsp）、交直流轉(zhuǎn)換電路、通信接口、信號檢測、操作面板、控制電源等組成。基本電路示意圖如下：

圖1

2 變頻器的選擇

在高水頭船閘中常見的運用變頻器控制電動機來進(jìn)行調(diào)速和啟動停止的系統(tǒng)一般為帶減速箱的人字閘門、帶卷揚機的門橋式事故檢修門和活動橋、長軸深井泵等，因其負(fù)載特性不同，故在變頻器的選擇和應(yīng)用上也不盡相同，一般遵循以下幾個原則。

2.1 容量選擇

通用變頻器的容量要依據(jù)所控制電動機的一般船閘都是一臺變頻器控制一臺電動機，此條件下變頻器容量計算公式如下所示：

式中PCN變頻器額定容量（KVA），ICN變頻器的額定電流(A)，PM電動機的輸出功率，電動機效率（一般取0.85），電動機的功率因數(shù)（三相異步電動機一般取0.85），電動機額定電壓，IM電動機工頻電源時電流，K 電流波形的修正系數(shù)（PWM 型變頻器一般取1.05～1.1）。

要注意的是在環(huán)境溫度高、海拔高、控制高速電機以及轉(zhuǎn)矩波動大有功率峰值的負(fù)載時都要適當(dāng)放大一檔選擇變頻器容量。

2.2 負(fù)載類型的選擇

在變頻器控制調(diào)速的電機拖動系統(tǒng)中，按機械負(fù)載特性一般分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、二次方率負(fù)載三種，在不同的轉(zhuǎn)速n 下，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩T 變化趨勢不同，三種方式的機械特性曲線如下。

圖2 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

圖3 二次方率負(fù)載

圖4 恒功率負(fù)載

在一般船閘的人字門閘門、門橋式事故門等在運轉(zhuǎn)過程中負(fù)載變化較小，所以均選擇恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載型通用變頻器，而長軸深井泵因其自身機械結(jié)構(gòu)不允許在低頻下運轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速不夠會造成泵葉懸浮不起來托盤和泵葉損壞，因此也選擇恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載型變頻器。

2.3 控制方式的選擇

通用變頻器一般有四種控制方式即V/f 恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制。其中V/f 恒定控制和矢量控制應(yīng)用范圍廣，應(yīng)用場合較多。而V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保持一定，可以有效避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的效率，功率因數(shù)不下降，但是因為其低速時轉(zhuǎn)矩輸出能力低，不能保證其恒轉(zhuǎn)矩特性的穩(wěn)定性，其大多用于風(fēng)機泵類等二次方負(fù)載。

矢量控制在電壓和頻率控制的基礎(chǔ)上，加上了相位控制，同時可以根據(jù)反饋的電流結(jié)合電機參數(shù)，實時計算出轉(zhuǎn)子位置并求出轉(zhuǎn)速，理論上可以做到同樣的電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最優(yōu)，從而減小電機負(fù)載變化時的瞬態(tài)過程，利用電機參數(shù)對轉(zhuǎn)速進(jìn)行瞬時補償，進(jìn)一步優(yōu)化了控制性能。矢量控制力矩大適用于重負(fù)荷的場合及低頻要保證力矩的應(yīng)用，因此在船閘電機拖動中多用矢量控制，需要注意的是矢量控制一臺變頻器只能控制一臺電動機。

3 變頻器的安裝

（1）安裝環(huán)境。變頻器的安裝場所基本要求是通風(fēng)、少濕、少振動、無腐蝕及無粉塵。

（2）EMC 規(guī)則。在采用變頻器調(diào)速的系統(tǒng)中，電源側(cè)和電機側(cè)都會產(chǎn)生諧波干擾，對電網(wǎng)和變頻器周圍其他設(shè)備產(chǎn)生EMC 干擾，為有效地抑制電磁波的輻射和傳導(dǎo)，將變頻器EMC 影響減小到最低，采用變頻器調(diào)速的系統(tǒng)接線非常的重要。其中控制電纜應(yīng)選用屏蔽電纜，動力電纜應(yīng)選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。電機電纜應(yīng)獨立于其它電纜走線，變頻器和電機的距離應(yīng)該盡量地短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發(fā)射源，其最小距離為500mm。同時應(yīng)避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與主回路線分開走線。變頻器控制柜內(nèi)器件要確保接地良好，要注意的是連接到變頻器的控制設(shè)備要與其共地，最好采用像金屬網(wǎng)類似的在高頻時阻抗較低的扁平導(dǎo)體。電動機的電纜地線也應(yīng)該直接連接到相應(yīng)變頻器的接地端子。此外一般應(yīng)該在變頻器輸入輸出端加裝電抗器，以抑制變頻器對電網(wǎng)及周邊設(shè)備的干擾，同時抑制輸出高頻諧波，減少電機軸承的感應(yīng)電壓，對電機軸承起到保護(hù)作用。

4 變頻器的設(shè)置

（1）加減速時間設(shè)置。為實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)的啟停，用低頻啟動降低啟動電流的同時減小對系統(tǒng)機械設(shè)備的沖擊，所以變頻器調(diào)速的加速是增加輸出頻率來實現(xiàn)加速的，因此需要設(shè)置一個加速時間，即從啟動頻率加速到額定頻率的時間，加速過程中必須處理好加速快慢和拖動系統(tǒng)慣性的矛盾，從提高生產(chǎn)率的角度加速時間越短越好，但由于拖動系統(tǒng)的慣性，頻率上升太快，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將跟不上同步轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)差增大，引起加速電流增大，可能超過限值而引起變頻器跳閘，因此應(yīng)在防止加速電流過大的前提下盡可能縮短加速過程。減速過程中，頻率降低瞬間，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差增大，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，也成了再生制動狀態(tài)，變頻器直流電路的泵升電壓升高，需要制動能耗電阻消耗放電，增大引起再生直流和泵升電壓升高，超過限值后導(dǎo)致變頻器過電流或者過電壓故障跳閘，因此減速時間設(shè)置也應(yīng)該在防止減速電流過大和泵升電壓過高的前提下盡可能縮短。一般高水頭船閘電機拖動系統(tǒng)中變頻器的加速時間均設(shè)置為3s，減速時間為1.5s，可以較好地實現(xiàn)平滑加速減速過程。

（2）電機參數(shù)整定。變頻器矢量控制系統(tǒng)的性能受電機參數(shù)影響很大，如果電機參數(shù)不準(zhǔn)確就將不能獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，影響變頻器、電機負(fù)載及現(xiàn)場生產(chǎn)。因此使用正確的電機參數(shù)和進(jìn)行參數(shù)的自整定是應(yīng)用矢量控制的基礎(chǔ)。電機自整定需要注意的是，一定要接電動機，且電機沒有溫升，要正確輸入電機銘牌參數(shù)到變頻器。如果變頻器輸出側(cè)接有接觸器，在做自整定之前，一定要將接觸器吸合。

（3）其他設(shè)置。其他設(shè)置包括給定通道設(shè)置、宏配置、電機熱保護(hù)電流值、高速頻率值、低速頻率值等等，都根據(jù)實際情況進(jìn)行配置。

（4）系統(tǒng)調(diào)試。在變頻器參數(shù)都設(shè)置完成后，還應(yīng)帶負(fù)載進(jìn)行實驗，主要觀察電機旋轉(zhuǎn)方向是否正確，加減速時電流是否相對平穩(wěn)，直流電流是否過高，加減速時間是否設(shè)置正確，設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)是否達(dá)到要求，變頻器的運行電流是否在要求范圍內(nèi)，容量選擇是否正確。

5 變頻器的日常維護(hù)保養(yǎng)與典型故障處理

5.1 日常維護(hù)

變頻器的日常維護(hù)主要是盡早發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象、排除隱患、清潔除塵、緊固檢查等，包括不停止運行和不拆卸蓋板進(jìn)行通電和運行實驗，通過目測運行狀況是否正常，包括顯示面板是否正常，有無報錯，風(fēng)扇是否運轉(zhuǎn)正常，有無振動。觀察相關(guān)電纜是否過熱、變色、變形、異味等異常現(xiàn)象。觀察整個控制系統(tǒng)外觀清潔，是否積塵，各鏈接器件、電纜是否有松動等現(xiàn)場。

5.2 定期檢查測量

定期檢查主要是日常檢查難以發(fā)現(xiàn)問題的地方，切斷電源、停止運行后進(jìn)行，需要注意的是通用變頻器斷電后主回路濾波電容上仍有較高的充電電壓，需要放電5—10 分鐘，等待充電指示燈熄滅后進(jìn)行。典型的檢查項目一般包括，內(nèi)部清潔、電容器檢查、控制電路板檢查、緊固檢查、主回路控制回路絕緣電阻測定等。

5.3 典型故障處理

過流保護(hù)故障。一般原因有以下幾種，一是電動機遇到?jīng)_擊負(fù)載或者傳動機構(gòu)卡阻，二是變頻器輸出側(cè)短路，三是變頻器加速或者減速時間設(shè)置太短，四是變頻器本身故障，處理方法為逐項檢查即可。

過電壓故障。即直流母線電壓過高，常見原因一是電源電壓過高，二是制動力矩不足，三是減速時間設(shè)置太短，四是電動機突然甩負(fù)載，五是機械負(fù)載慣性過大等。

欠電壓故障。一般原因為電源電壓偏低、缺相、同一系統(tǒng)中有大啟動電流負(fù)載啟動，或者變頻器內(nèi)部故障。

變頻器過熱故障。一般原因為負(fù)載過大、環(huán)境溫度過高、散熱不正常、內(nèi)部熱傳感器故障。

過載故障。一般原因為負(fù)載過大、容量偏小、熱保護(hù)值設(shè)定偏小等原因。

6 結(jié)語

不同品牌的變頻器選型和設(shè)置方式及數(shù)值都各不相同，同時變頻器在現(xiàn)場實際運行中受到的影響因數(shù)不盡相同，故障原因也千差萬別，同樣的故障可能由不同原因引起，同樣的原因可能引起不同的故障，所以在船閘電機拖動中應(yīng)該針對實際應(yīng)用場景，負(fù)載特性，調(diào)速需求等具體分析選擇，并在日常維護(hù)保養(yǎng)中嚴(yán)格按照品牌的說明書進(jìn)行，才能真正地把通用變頻器用好，且保證電機拖動系統(tǒng)安全穩(wěn)定。